Равномерные формулы для асимптотического решения
в окрестности переднего фронта для системы Максвелла
с локализованными начальными данными и с учетом временной дисперсии
Аннотация:
Рассматривается система уравнений Максвелла с временной дисперсией
и локализованным начальным условием.
При помощи канонического оператора Маслова строится
равномерная асимптотика, выражающаяся через производную функции Эйри
сложного аргумента, в окрестности регулярных точек
переднего фронта волны.
Библиография: 10 названий.
Рассмотрим уравнения Максвелла [1], [2] в неоднородной среде и с временной дисперсией. Для трехмерного вектора $\psi(x,t)$ имеем уравнение (везде далее считаем, что оператор $\widehat p$ действует первым, а оператор умножения на $x$ действует вторым)
Здесь описывающий неоднородность среды коэффициент $c(x)$ предполагается гладкой положительной функцией; $h\ll 1$ – малый параметр, характеризующий локализацию начальных условий. Функцию $V(y)$ мы считаем вещественной, гладкой и убывающей при $|y|\to +\infty$ вместе со своими производными быстрее любой степени $|y|^k$. В стандартных обозначениях
Пусть функция $g(w)$, дающая временную дисперсию, удовлетворяет следующим условиям (как и в статье [3]): это гладкая, нечетная, монотонная функция, растущая на бесконечности не быстрее полинома, $g(w)\to \infty$ при $w\to \infty$. Пусть при малых $w$:
Также считаем, что $g''(w)\ne 0$ при $w\ne 0$ и $g'(w) \geqslant 1$.
Подобная задача для волнового скалярного уравнения уже рассматривалась в статье [3] и мы будем пользоваться основными конструкциями из этой статьи.
Локализованные начальные функции можно представить в виде канонического оператора Маслова [4], [5] и применить соответствующую теорию для построения асимптотики решения соответствующих задач [6], [7].
Определим передний фронт. Для этого рассмотрим решение $X^0(t,\theta)$, $P^0(t,\theta)$ системы Гамильтона с гамильтонианом $H(x,p)=c(x)|p|$:
($\theta=(\theta_1,\theta_2)$ – долгота и широта на сфере единичных импульсов). Передним фронтом будем называть поверхность $\gamma_t=\{x=X^0(t,\theta),n(\theta) \in S^2\}$.
Мы построим асимптотику решения в окрестности (не зависящей от параметра $h$) переднего фронта следующим методом (аналогичным [3], [8]). Сначала, с помощью функции Эйри, строится асимптотика в некоторой малой окрестности (зависящей от $h$) переднего фронта, а затем эта асимптотика склеивается с асимптотикой вида ВКБ вне этой малой окрестности, что и приводит к асимптотике в достаточно большой окрестности переднего фронта. Такую асимптотику мы называем равномерной.
2. Построение асимптотического решения
Сначала сведем задачу к двум более простым, перейдя в базис из собственных векторов матрично-значного символа уравнения.
Матрично-значный символ оператора в левой части (1) имеет вид
где $\mathbf{E}_3$ – $3\times 3$ единичная матрица. У матрицы $\mathcal{H}$ два различных собственных значения (“эффективных гамильтонианов”): $H^1$ и $H^2$. Собственному значению $H^1(x,p,w)=F(x,p,w)$ (кратности 1) отвечает собственный вектор
Собственному значению $H^2(x,p,w)=F(x,p,\omega)-|p|^2$ (не зависящей от $x$, $p$, $\omega$ кратности 2) отвечают два ортогональных собственных вектора $\xi^2(p)$, $\xi^3(p)$. Например, можно выбрать
где символы операторов имеют разложение $\chi^m=\chi^m_0+h\chi^m_1+O(h^2)$ ($m=1,2$), $\chi^1_0=\xi^1(p)$ трехмерный вектор столбец, $\chi^2_0=(\xi^2(p),\xi^3(p))$ – $3\times 2$ матрица, $\varphi^1(x,t)$ – скалярная функция, а $\varphi^2(x,t)$ – двумерная вектор-функция с двумя компонентами $\varphi^2_1(x,t)$, $\varphi^2_2(x,t)$. Функции $\varphi^1(x,t)$, $\varphi^2(x,t)$ определяются как асимптотические решения скалярного и векторного (редуцированных) уравнений (приведем его в общем виде)
Последнюю формулу мы также приводим в общем виде, добавив в нее возможную поправку $\mathcal{ H}_1$ по $h$ к символу исходного уравнения ($\mathcal{H}=\mathcal{H}_0+h \mathcal{H}_1+O(h^2)$). В рассматриваемом случае $\mathcal{H}_1=0$, $\partial \chi^m_0/\partial x_j=0$ и мы имеем
Формально представим оператор в квадратных скобках в виде квадрата: $(Q(\widehat{x},\widehat{p}))^2$. Символ оператора $\widehat{Q}$ имеет разложение $Q(x,p)=Q_0(x,p)+h Q_1(x,p)+O(h^2)$, где $Q_0(x,p)=c(x)|p|E_2$,
В итоге, уравнение $\widehat{L^2}\varphi^2=0$ представилось в виде $\widehat{R^-}\widehat{R^+}\varphi^2=0$, где $\widehat{R^\pm}=g(\widehat{w}) \pm \widehat{Q}$.
Построим асимптотическое решение в виде $\varphi^2(x,t)=u^+(x,t)+u^-(x,t)$, где $u^\pm$ – решение задач $\widehat{R^\pm} u^\pm (x,t)=0$, $u^\pm(x,0)=u_0^\pm(x)$ с некоторым $u_0^\pm$, которое определим позже.
Рассмотрим задачу со знаком плюс. Решение будем строить в виде канонического оператора Маслова на 4-мерном лагранжевом многообразии $\Lambda^+ \subset \mathbb{R}^8_{x,t,p,w}$, инвариантном относительно гамильтонова векторного поля с гамильтонианом $d(x,t,p,w)=g(w)+c(x)|p|$: $u^+=K^h_{\Lambda^+}A^+$. $\Lambda^+$ построим, выпуская траектории системы Гамильтона
с начальным условием $x|_{\tau=0}=0$, $p|_{\tau=0}=n(\theta)$.
Выберем на $\Lambda^+$ начальную точку $\alpha_0=\{\tau=0^-,\ \theta=(0,0),\ w=0^-\}$ и инвариантную относительно гамильтонового векторного поля форму объема
(это координаты проекции $\widetilde V(p)$ на двумерное собственное подпространство $\langle\xi^2,\xi^3\rangle$ при $p=P(0,\theta,w)$) и дифференциальному уравнению первого порядка:
$$
\begin{equation*}
(A^+)'_\tau=\biggl(\frac{1}{2}\operatorname{tr}d''_{xp}- i Q_1\biggr)\bigg|_{x=X(\tau,w,\theta),\ p=P(\tau,w,\theta)}A^+,
\end{equation*}
\notag
$$
где $\Sigma(\tau,\theta,w)= (\xi^2(P(\tau,\theta,w)),\xi^3(P(\tau,\theta,w)))$ (матрица $3\times 2$ из собственных векторов матричного символа $\mathcal{H}$, взятых вдоль траектории системы Гамильтона). Обозначив $\widetilde A^+(\tau,\theta,w)= |P(\tau,\theta,w)| A^+(\tau,\theta,w)$, получим уравнение $(\widetilde A^+)'_\tau=-\Sigma^\top(\Sigma)'_\tau\widetilde A^+$, которое равносильно уравнению $(\Sigma \widetilde A)'_\tau \perp N(\tau,\theta)$, где $N(\tau,\theta)= \langle\xi^2(p),\xi^3(p)\rangle|_{p=P(\tau,\theta,w)}$ – двумерная плоскость, ортогональная лучу $X^0(\tau,\theta)$. Таким образом, мы имеем дело с геометрическим уравнением параллельного переноса вдоль луча.
где $\Pi_L$ – оператор ортогональной проекции на пространство $L$.
Отображение $PT$ не зависит от выбора базиса в пространстве $N(\tau,\theta)$ и если луч $X^0(\tau,\theta)$ бирегулярный, то можно в качестве базиса в $N(\tau,\theta)$ взять вектора главной нормали $\nu(\tau,\theta)$ и бинормали $\beta(\tau,\theta)$. Поскольку
Тогда в матричном виде можно записать $PT(\tau,\theta)v_0= \Omega(\tau,\theta)G(\tau,\theta)\Omega^\top(0,\theta)v_0$, где матрица $\Omega(\tau,\theta)=(\nu(\tau,\theta),\beta(\tau,\theta))$, а $G(\tau,\theta)$ – матрица Коши для системы
$$
\begin{equation*}
\frac{d A}{d\tau}=-\Omega^\top(\tau,\theta)\Omega(\tau,\theta)'_\tau A =c(X^0(\tau,\theta))\begin{pmatrix} 0 & \varkappa(\tau,\theta) \\ -\varkappa(\tau,\theta) & \end{pmatrix} A.
\end{equation*}
\notag
$$
Аналогично строится лагранжево многообразие $\Lambda^-$ и амплитуда $A^-$ на нем.
2.2. Случай $m=1$. Медленная продольная мода
В этом случае аналогично строится асимптотическое решение и при построении лагранжева многообразия надо сдвигать $\Lambda_0$ вдоль траекторий системы Гамильтона с гамильтонианом $g(w)$. Поскольку он не зависит от $p$, то $\dot x=0$ и лагранжево многообразие будет проецироваться в $x=0$ и решение во все времена останется локализованным в окрестности $x=0$ и не будет давать вклад в дальнее от источника поле.
Таким образом, вдали от источника старшая часть асимптотического решения будет иметь вид
Далее, используя алгоритм [7], можно в окрестности фронта записать $\psi_{\mathrm{as}}$ через функцию Эйри, вне окрестности фронта записать в виде ВКБ-функции и, используя асимптотики функции Эйри, склеить эти две формулы в одну.
3. Равномерная асимптотика в окрестности регулярных точек переднего фронта. Основная теорема
Зафиксируем момент времени $t>0$ и рассмотрим точку $P=X^0(t,\theta^0)$ фронта $\gamma_t$ такую, что, во-первых, $|X^0_{\theta_1}\times X^0_{\theta_2}|/ \cos\theta_2|_{\theta=\theta^0}\ne 0$, а, во-вторых, на замыкании $\Lambda^+$ есть только один прообраз точки $P$ при проецировании на конфигурационное пространство.
В окрестности регулярной точки фронта можно ввести координаты $d$, $\theta_1$, $\theta_2$, где $d$ – расстояние по нормали к фронту ($d<0$ внутри фронта, $d>0$ вне фронта $\gamma_t$). Внешняя нормаль к фронту $N_{\mathrm{out}}={P^0(t,\theta)}/{|P^0(t,\theta)|}$. Внутри фронта можно на многообразии $\Lambda^+$ выразить координату $w$ через $d$, $\theta$:
$$
\begin{equation*}
\begin{gathered} \, d=\langle x-X^0(t,\theta),N_{\mathrm{out}}\rangle= -\frac{1}{2} g_3 t w^2 c(X^0(t,\theta))+O(w^4), \\ w^+(\theta,d)= -\biggl(-\frac{2d}{g_3 t c(X^0(t,\theta))}\biggr)^{1/2}+O(d^{3/2}). \end{gathered}
\end{equation*}
\notag
$$
Таким образом $(w^+(x))^2$ можно продолжить гладким образом за фронт (с любой заданной гладкостью).
Можно выразить действие $\Phi^+=t(w-g(w)/g'(w))$ на $\Lambda^+$ как функцию от $(d,\theta)$:
Замечание 1. Если $V(y)$ – вещественно-значная функция, то два слагаемых в этой формуле комплексно сопряжены.
Замечание 2. Если $c(x)=\operatorname{const}$, то эта формула справедлива везде, кроме окрестности начала координат.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика. Электродинамика сплошных сред, Наука, 1982
2.
Ю. А. Кравцов, Ю. И. Орлов, Геометрическая оптика неоднородных сред, Наука, М.
3.
S. Yu. Dobrokhotov, S. A. Sergeev, “Asymptotics of the solution of the Cauchy problem with localized initial conditions for a wave type equation with time dispersion. I. Basic structures”, Russ. J. Math. Phys., 29:2 (2022), 149–169
4.
С. Ю. Доброхотов, В. Е. Назайкинский, “Проколотые лагранжевы многообразия и асимптотические решения линейных уравнений волн на воде с локализованными начальными условиями”, Матем. заметки, 101:6 (2017), 936–943
5.
S. Yu. Dobrokhotov, A. I. Shafarevich, B. Tirozzi, “Localized wave and vortical solutions to linear hyperbolic systems and their application to linear shallow water equations”, Russ. J. Math. Phys., 15:2 (2008), 192–221
6.
В. П. Маслов, М. В. Федорюк, Квазиклассическое приближение для уравнений квантовой механики, Наука, М., 1976
7.
С. Ю. Доброхотов, В. Е. Назайкинский, А. И. Шафаревич, “Новые интегральные представления канонического оператора Маслова в особых картах”, Изв. РАН. Сер. матем., 81:2 (2017), 53–96
8.
S. Yu. Dobrokhotov, V. E. Nazaikinskii, A. A. Tolchennikov, “Uniform formulas for the asymptotic solution of a linear pseudodifferential equation describing water waves generated by a localized source”, Russ. J. Math. Phys., 27:2 (2020), 185–191
9.
В. П. Маслов, Теория возмущений и асимптотические методы, Изд. МГУ, M., 1965
10.
V. V. Belov, S. Yu. Dobrokhotov, T. Ya. Tudorovskiy, “Operator separation of variables for adiabatic problems in quantum and wave mechanics”, J. Engrg. Math., 55:1–4 (2006), 183–237
Образец цитирования:
С. Ю. Доброхотов, А. А. Толченников, “Равномерные формулы для асимптотического решения
в окрестности переднего фронта для системы Максвелла
с локализованными начальными данными и с учетом временной дисперсии”, Матем. заметки, 116:3 (2024), 388–395; Math. Notes, 116:3 (2024), 458–464